高性能旋變數字轉換器AD2S1210的特點及應用分析

連接/參考器件

AD2S1210

分辨率可變、10位至16位旋變數字轉換器，內置參考振蕩器

AD8397

雙通道、軌到軌、高輸出電流放大器

評估和設計支持

電路評估板

AD2S1210評估板（EVAL-AD2S1210SDZ）

系統演示平臺SDP-B （EVAL-SDP-CB1Z）

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優勢

圖1所示電路是一款高性能旋變數字轉換器（RDC）電路，可在汽車、航空電子和關鍵工業等要求寬溫度范圍內具有高穩定性的應用中精確測量角度位置和速度。高電流驅動器AD8397可將310 mA電流驅動到32 Ω負載，從而無需分立式推挽緩沖器解決方案。

RDC常被用于汽車和工業市場，用來提供電機軸位置和/或速度反饋信息。

圖1. 采用AD8397的高電流緩沖器支持AD2S1210 RDC激勵信號輸出（原理示意圖，未顯示去耦和所有連接）

電路描述

AD2S1210是一款完整的10位至16位分辨率跟蹤RDC，片內集成可編程正弦波振蕩器，為旋變器提供激勵。由于工作環境惡劣，AD2S1210（C級和D級）的額定溫度范圍為-40°C至+125°C的擴展工業溫度范圍。

圖1所示的高電流驅動器采用雙通道運算放大器AD8397，用來放大AD2S1210參考振蕩器激勵輸出并進行電平轉換，從而優化與旋變器的接口。另外一路互補激勵驅動電路與圖1類似，從而提供一個全差分信號來驅動旋變器初級繞組。AD8397是一款低失真、高輸出電流和寬輸出動態范圍放大器，非常適合與旋變器一同使用。AD8397能將310 mA電流驅動到32 Ω負載，以便為旋變器提供所需的功率，而無需使用傳統的分立式推挽輸出級。傳統推挽電路需要額外的元件，與之相比，本文提供的方案可簡化驅動器電路，而且功耗更低。AD8397采用8引腳窄體SOIC封裝，額定溫度范圍為-40°C至+85°C工業溫度范圍。

RDC利用正弦信號來確定受正弦波參考信號激勵的旋變器的角度位置和/或速度。 初級繞組上的旋變器激勵參考信號被轉換為兩個正弦差分輸出信號：正弦和余弦。 正弦和余弦信號的幅度取決于實際的旋變器位置、旋變器轉換比和激勵信號幅度。

RDC同步采樣兩個輸入信號，以便向數字引擎（即所謂Type II跟蹤環路）提供數字化數據。 Type II跟蹤環路負責計算位置和速度。 典型應用電路如圖2所示。

由于旋變器的輸入信號要求，激勵緩沖器必須提供高達200 mA的單端電流。 圖1所示的緩沖電路不僅提供電流驅動能力，而且還提供AD2S1210激勵輸出信號的增益。

典型旋變器的輸入電阻在100 Ω至200 Ω之間，初級線圈必須利用7 V rms的電壓激勵。

AD2S1210的額定頻率范圍為2 kHz至20 kHz。該轉換器支持3.15 V p-p ±27%范圍的輸入信號。 采用Type II跟蹤環路跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入信息轉換為輸入角度和速度所對應的數字。 該器件的額定最大跟蹤速率為3125 rps。

在16位分辨率時，位置輸出的精度誤差最大值為±5.3弧分。

AD2S1210采用5 V電源供電，用作輸出緩沖電路的AD8397要求12 V電源，以便向旋變器提供所需的差分信號幅度。

圖1顯示了AD2S1210和配置為差分驅動器的AD8397的原理圖。AD8397一個極具吸引力的特性是，驅動高負載時，其輸出能夠提供高線性輸出電流。例如，驅動32 Ω負載時，輸出電流最高可達310 mA，同時保持-80 dBc的無雜散動態范圍（SFDR）。由于其高輸出電流，AD8397能夠為旋變器提供所需的功率，而無需使用分立式推挽電路。

圖2. AD2S1210 RDC典型應用電路

圖3. 分立式推挽驅動器電路

對于100 Ω至200 Ω輸入電阻，驅動旋變器所需的電流為200 mA。 圖3所示的分立方案提供一個推挽輸出級，這不僅會增加驅動器電路的成本，而且即使沒有信號存在時，也會產生少量靜態功耗。

圖1中的緩沖級可降低功耗并減少元件數，同時實現像推挽電路一樣的驅動能力。

AD2S1210的激勵輸出通常在EXC和EXC輸出端提供3.6 V p-p正弦信號，由此產生一個7.2 V p-p差分信號。

汽車旋變器的典型變換比為0.286。因此，如果將一個單位增益緩沖器配合AD2S1210使用，則旋變器輸出的幅度約為差分2 V p-p。 這種信號的幅度不足以滿足AD2S1210的輸入幅度要求。 理想情況下，正弦和余弦輸入具有差分3.15 V p-p的幅度，因此AD8397必須提供約1.5倍的增益。

圖1所示激勵緩沖器的增益通過電阻R1和R2設置。在電路測試期間，R1和R2電阻的值分別為10 kΩ和15.4 kΩ，對應的增益為1.54。

EVAL-AD2S1210SDZ評估板上有跳線選項，可將R2更改為8.66 kΩ，此時提供的增益為0.866。對于轉換比為0.5的旋變器，這種增益設置為正弦和余弦輸入提供3.12 V p-p差分幅度信號。

電阻R3和R4將放大器的共模電壓設置為VCM （2） = 3.75 V。激勵輸出的共模電壓為VCM （1） = 2.5 V（中間電源電壓），相當于緩沖器輸出共模電壓約為VCM （OUT） = 5.7 V（12 V電源的大約一半）。

由于所選的拓撲結構可以采用單電源供電，因此針對緩沖器選擇的運算放大器也必須能夠采用單供電軌供電。AD8397采用12 V單電源供電，提供軌到軌輸出，因而是理想的選擇。

測量

EVAL-AD2S1210SDZ評估板提供了跳線選項，支持使用圖1所示的集成驅動器或圖3所示的分立驅動器。

圖4顯示了分立式推挽電路和采用AD8397的集成緩沖器的信號質量。使用Rohde & Schwarz RTO1024（快速傅里葉變換FFT）分析輸出信號，并測量基波和諧波功率。激勵頻率設置為10 kHz。

增益設置為1.54時，AD8397在兩種配置中均提供5.54 V p-p的輸出信號?；üβ始s為18 dBm，驅動RTO1024的50 Ω典型輸入阻抗。

然后，根據信號的基頻和諧波功率值計算信納比（SINAD）和總諧波失真（THD）。對于推挽電路，SINAD = 50.9615 dB，THD = 25.66%；對于AD8397緩沖器，SINAD = 54.8 dB，THD = 25.51%。這一計算使得兩種配置可以相互比較。

圖4. 推挽和AD8397輸出信號對比

下一步要證明：即使輸出端存在高電流，AD8397電路也能傳送激勵信號。 圖5所示的測試電路 通過加重輸出負載確定AD8397電路性能。

圖5. AD8397的帶載測試電路

AD8397在驅動32 Ω負載時可以輸出高達310 mA的低失真輸出電流。旋變器輸入電阻通常在100 Ω至200 Ω范圍內。

圖6顯示了吸收AD8397輸出端310 mA電流時的激勵信號。輸出仍能維持其信號強度，因而能夠驅動典型旋變器。

圖6. 吸收AD8397輸出端310 mA電流

如果連接到旋變器，AD8397提供的激勵信號可以在AD2S1210輸入范圍要求內產生正弦和余弦信號。

建議

電容C1與電阻R2并聯形成一個低通濾波器，用來濾除EXC和EXC輸出上存在的任何噪聲。選擇此濾波器的截止頻率時，應確保濾波器所引起的載波相移不超過AD2S1210的鎖相范圍。注意，C1不是必需的，因為旋變器可以濾除AD2S1210激勵輸出中的高頻成分。

在電路驗證過程中，旋變器的輸出直接連接到AD2S1210輸入。用戶應用中經常會使用額外調整電阻和/或無源RC濾波器。在AD2S1210之前可以使用額外無源元件，但不要超過產品數據手冊規定的AD2S1210最大鎖相范圍。外部無源元件可能會導致通道間幅度不匹配誤差，這會直接轉化為位置誤差。因此，信號路徑中推薦使用至少1%容差的電阻和5%容差的電容。

根據應用和傳感器的具體要求，可以更改AD2S1210和AD8397周圍的元件值。例如，通過改變電阻值，用戶可以調整偏置電壓、幅度和緩沖電路輸出端的最大驅動能力。

常見變化

圖1所示的緩沖電路可以在不做任何修改的情況下與ADI公司的其他RDC一起使用，例如AD2S1200和AD2S1205。 要改變輸出幅度、驅動能力和失調電壓，應適當調整無源元件。

電路評估與測試

可使用EVAL-AD2S1210SDZ評估板來評估和測試AD2S1210及CN-0317電路。CN-0317設計支持包提供了詳細原理圖、布局布線以及物料清單。

EVAL-AD2S1210SDZ用戶指南完整說明了如何使用評估板的硬件和軟件。

設備要求

需要以下設備：

● 帶USB端口的Windows 7（或更新版）PC

● EVAL-AD2S1210SDZ評估板

● EVAL-SDP-CB1Z SDP-B控制板

● EVAL-AD2S1210SDZ評估軟件

● 9 V壁式直流電源（隨同EVAL-AD2S1210SDZ評估板提供）

● 旋變器（例如Tamagawa TS2620N21E11）

開始使用

設置電路評估的步驟如下：

1.安裝評估軟件光盤中的評估軟件。安裝軟件時，確保EVAL-SDP-CB1Z板與PC的USB斷開連接。安裝之后，PC可能需要重啟。

2.確保按照EVAL-AD2S1210SDZ用戶指南的表2所示配置各種鏈路選項。

3.按照圖7所示將SDP板連接到評估板。

4.將套件包含的9 V電源適配器連接到評估板上的接頭J702。

5.通過USB電纜將SDP板連接到PC。

6.從程序菜單中的Analog Devices子文件夾下運行評估軟件。

7.將旋變器的EXC、EXC、SIN、SIN、COS和COS線連接到接頭J5和接頭J6，如圖7所示。

圖7. 測試設置功能框圖

測試

一旦USB通信建立，EVAL-SDP-CB1Z就可用來發送、接收、采集來自EVAL-AD2S1210SDZ的并行數據。

圖8為使用該電路測量位置和速度時評估軟件采集選項卡的輸出顯示。

圖9為EVAL-AD2S1210SDZ評估板與EVAL-SDP-CB1Z板相連的照片。

有關測試設置、校準以及如何使用評估軟件來捕捉數據的完整詳細信息，請參閱EVAL-AD2S1210SDZ評估板用戶指南。

圖8. 評估軟件輸出顯示——采集選項卡中的位置和速度數據

圖9. EVAL-AD2S1210SDZ評估板與EVAL-SDP-CB1Z SDP板相連的照片

責任編輯：gt